Thin Coatings for Heavy Industry: Advanced Coatings for Pipes and Valves

La robinetterie et la tuyauterie industrielles sont des appareils sous pression qui permettent de réguler le flux de matériaux (liquides, gaz et boues) en contrôlant les sections de passages. L'optimisation des processus, la réduction des coûts et les réglementations gouvernementales exigent des équipementiers de maintenir leurs produits à la fine pointe de la technologie. La robinetterie a été développée il y a plus de 3000 ans pour alimenter en eau les fermes et les villes en utilisant des alliages de bronze, qui fournissent à la fois une résistance à la corrosion et des performances tribologiques acceptables. Durant la révolution industrielle, ces antiques robinets ont évolué et des matériaux tribologiques plus modernes tels que les alliages Monel cuivre-nickel, Stellite cobalt-chrome, et le chromage dur appliqué par placage électrolytique ont été développés au début du XXe siècle pour optimiser le comportement tribologique et maximiser la durée de vie en service de ces équipements. Depuis cette époque, de nouveaux matériaux ont été régulièrement introduits pour étendre le champ d'application de la robinetterie tel que le fluoropolymère téflon, pour contrôler certains produits chimiques nécessaire aux procédés pétrochimiques, les superalliages à base nickel Hastelloy et Inconel pour les applications pétrochimiques et les aciers riches en chrome F91 pour les centrales supercritiques. Plus récemment, l'industrie de la robinetterie a adopté l'utilisation des revêtements appliqués par projection thermique pour les applications les plus difficiles et continu d'investir massivement dans la recherche de revêtements plus performants pour chaque application. Il est de plus en plus évident que la solution optimale aux problèmes d'usure érosive, corrosive et par frottement rencontrés dans la robinetterie réside dans la conception et la fabrication de revêtements multicouches, nanostructurés qui contrôlent à la fois la dureté et l'élasticité, tout en assurant une bonne adhérence. Les objectifs généraux de cette thèse sont donc de réaliser, pour la tuyauterie et la robinetterie industrielles, l'état de l'art des revêtements protecteurs durs contrôlés structurellement offrant des propriétés mécaniques, élasto-plastiques et thermiques sur mesure et de développer des solutions innovantes pour améliorer la résistance au frottement, à l'érosion et à la corrosion et autres caractéristiques adaptées.

Abstract

Pipes and valves are pressure vessels that regulate the flow of materials (liquids, gases, and slurries) by controlling the passageways. To optimize processes, reduce costs, and comply with government regulations, original equipment manufacturers (OEMs) must maintain their products in state-of-the-art condition. The first valves were invented over 3,000 years ago to supply water to farms and cities. They were made with bronze alloys, providing good corrosion resistance and acceptable tribological performance. The industrial revolution drove manufacturers to develop new and improved tribological materials. In the 20th century, innovative alloys such as Monel copper–nickel and Stellite cobalt-chrome as well as hard chrome plating were introduced to better control tribological properties and maximize in-service life. Since then, new materials have been regularly introduced to extend the range of applications for valves. For example, Teflon fluoropolymers are used in corrosive chemical and petrochemical processes, the nickel-based superalloys Hastelloy and Inconel for petrochemical applications, and creep-resistant chromium-rich F91 steel for supercritical power plants. Recently, the valve industry has embraced the use of hard thermal sprayed coatings for the most demanding applications, and is investing heavily in research to develop the most suitable coatings for specific uses. There is increasing evidence that the optimal solution to erosive, corrosive, and fretting wear problems lies in the design and manufacture of multi-layer, graded, and/or nanostructured coatings and coating systems that combine controlled hardness with high elastic modulus, high toughness, and good adhesion. The overall objectives of this thesis were 1) to report on advances in the development of structurally controlled hard protective coatings with tailored mechanical, elastoplastic, and thermal properties; and 2) to describe enhanced wear-, erosion-, and corrosion-resistance and other characteristics suitable for applications such as pipes and valves.